In der vorliegenden Arbeit wurden drei unabhängige Problemfelder moderner biophysikalischer und materialwissenschaftlicher Forschung untersucht: Diffusion in binären Legierungen, der Umbauprozess in trabekulärem Knochen und die Voraussage mechanischer Eigenschaften, insbesonders der Biegesteifigkeit, selbstorganisierender, amphiphiler Membrane. Für alle drei Problemfelder wurden Gittermodelle gewählt, um ausgesuchte Fragestellungen zu untersuchen. Für den Fall der Diffusion in Legierungen war dies, inwieweit sich der Diffusionprozess, der sich auf atomarer Ebene als diskrete Platztäusche zwischen Atomen und Leerstellen manifestiert, auf einer größeren, makroskopischen, Ebene mit Hilfe einer kontinuumstheoretischen Theorie beschreiben lässt. Im Fall der Beschreibung des Umbauprozesses in in trabekulärem Knochen wurde die die spongiöse Architektur des Knochens auf ein Gitter abgebildet und mittels einer vereinfachten mechanischen Beschreibung die lokale Belastung in jedem Knochenelement bestimmt. Die zeitliche Entwicklung des Systems wurde mittels eines stochastischen Umbaugesetzes gesteuert, das die Wahrscheinlichkeit für Knochenan- bzw. -abbau als Funktion der lokalen Volumenänderung vorgab. Es wurde gezeigt, dass ein nicht-lineares Umbaugesetz bessere Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen zeigt, als ein rein lineares. Weiters wurde das Krankheitsbild der Osteoporose untersucht und es konnte eine Unterscheidung zwischen einem normalen Alterungsprozess der Knochenstruktur und einer krankhaften Veränderung gezogen werden. Um die mechanischen Eigenschaften selbstorganisierender Membrane zu bestimmen, wurden linear elastische Federkräfte zwischen benachbarten Molekülen angenommen. Die volle elastische Matrix und daraus die gewünschten Eigenschaften wurden für unterschiedliche Zusammensetzungen der Membrane bestimmt. Es wurde gezeigt, dass die Biegesteifigkeit solcher Membrane in einem begrenzten Konzentrationsbereich um mehrere Größenordnungen variieren kann. / This thesis presents the results of investigations on three independent research topics of modern biophysical and materials science research: substitutional diffusion in binary alloys, the remodelling process in trabecular bone and the prediction of mechanical properties of self assembling, amphiphilic bilayers. The basic description of all three projects is based on lattice models, a highly successful class of models that are used in several fields of modern physics to describe physical processes. For the diffusional process in alloys, which on a microscopic scale manifests in a discrete site exchange between one atom and a neighbouring vacancy, it was investigated how this microscopic description can be reconciled with a macroscopic continuum model. For the investigations on remodelling of trabecular bone, the architecture of bone was mapped onto a lattice and the local mechanical state of each element was determined by a simplified mechanical model. A stochastic description was chosen to model the time evolution of the system, relating the probability of bone formation and resorption, respectively, to the local volume changes of the bone elements. It was shown that a non-linear remodelling law is a better candidate to describe the remodelling process in real bone than a linear one. Furthermore, applying the model to osteoporosis - a wide spread bone disease - it was shown that in the features attributed to osteoporosis one has to distinguish between normal ageing of bone''s architecture and additional changes that stem from pathological alterations in the regulatory system. A simple concept was introduced to model the mechanical properties of self-assembled membranes. The molecules forming the membrane are assumed to occupy a triangular lattice, nearest neighbours are connected by linear elastic springs. It was shown that the bending rigidity exhibits a pronounced concentration dependence, varying over orders of magnitude in a narrow concentration regime.

Die asymptotische Entwicklung der Funktion \(Z(t)=e^{i\vartheta(t)}\zeta{(1/2+it)}\) für reelle \(t\to+\infty\) (dabei ist \(\vartheta(t)=\Im\log{\Gamma{(1/4+it/2)}}-(t\log{\pi})/2\) und \(\zeta{(1/2+it)}\) die Riemannsche Zetafunktion auf der kritischen Geraden $\Re{(s)}=1/2$ – heute allgemein als Riemann–Siegel–Formel bezeichnet – wird auf neue Weise mit Hilfe der Sattelpunktmethode aus der sogenannten Riemann–Siegel"–Integralformel hergeleitet. Die Formeln zur Berechnung der in der asymptotischen Reihe auftretenden Koeffizienten werden vereinfacht und für \(t \ge 200\) explizite Fehlerabschätzungen für die ersten 11 Partialsummen dieser Reihe angegeben. Der tabellarische Anhang enthält u. a. die exakte Darstellung der ersten 13 Koeffizienten der asymptotischen Reihe in der auf D. H. Lehmer zurückgehenden Form sowie die Potenzreihenentwicklungen und die Entwicklungen nach Tschebyscheffschen Polynomen 1. Art der ersten 11 Koeffizienten mit einer Genauigkeit von 50 Dezimalstellen.

Viele Problemstellungen der Naturwissenschaften führen zur Betrachtung von nichtlinearen Wellengleichungen. Dabei ist von großem Interesse, ob zu vorgegebenen kleinen Daten Lösungen eindeutig existieren und ob diese stetig von den Daten abhängen. Hilfsmittel für diese Probleme sind Aussagen über lineare Wellengleichungen. In der vorliegenden Arbeit werden lineare Klein-Gordon Gleichungen, also Wellengleichungen mit Potentialterm, mit zeitabhängiger Masse bzgl. des Verhaltens ihrer Lösungen untersucht. Von speziellem Interesse sind Resultate mit Bezug auf verallgemeinerte Energieerhaltung und sogenannte Lp – Lq decay-Abschätzungen. Aus der Arbeit geht hervor, dass man eine Klassifizierung für Gleichungen mit fallendem Masseterm finden kann. Für Gleichungen vom Wellentyp ist der Einfluss des Potentialterms gering und die Lösungen verhalten sich wie Lösungen der Wellengleichung. Dem gegenüber stehen Gleichungen vom Klein-Gordon-Typ mit erkennbarem Einfluss des Masseterms. Ausgangspunkt für die Klassifizierung ist das kritische Verhalten der Lösungen einer skaleninvarianten Gleichung mit speziellem Masseterm.

Diese Dissertation umfasst drei Aufsätze zu verschiedenen Themen aus dem Bereich der Mikroökonometrie. Das erste Kapitel ist eine gemeinsame Arbeit mit Christoph Breunig und umfasst semi/nichtparametrische Regressionsmodelle, in denen die abhängige Variable einen nicht-klassischen Messfehler aufweist. Es werden Bedingungen erarbeitet, unter denen die Regressionsfunktion bis auf eine Normalisierung identifiziert werden kann. Zur Schätzung wird ein neuer Schätzer entwickelt, bei dem eine Rang-basierte Kriteriumsfunktion über einen sieve-Raum optimiert wird und dessen Konvergenzrate hergeleitet. Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit der Schätzung von bedingten Dichtefunktionen von zufälligen Koeffizienten in linearen Regressionsmodellen. Es wird ein zweistufiges Schätzverfahren entwickelt, in dem zunächst eine Approximation der bedingten Dichte Koeffizienten hergeleitet wird. In einem weiteren Schritt können diese Funktionen mit generischen Methoden des maschinellen Lernens geschätzt werden. Des Weiteren wird auch die Konvergenzrate des Schätzers in der L2-Norm hergeleitet sowie dessen punktweise, asymptotische Normalität. Im dritten Kapitel wird ein neuer und einfach umsetzbarer Ansatz zur Schätzung semi(nicht)parametrischer diskreter Entscheidungsmodelle, unter Berücksichtigung von Restriktionen auf die funktionalen Parameter des Modells, vorgestellt. Die untersuchten Modelle weisen funktionale Parameter auf, die bestimmte funktionale Formen aufweisen. Zentraler Teil der Arbeit ist die Entwicklung eines GLS-Schätzers über einen geeigneten sieve-Raum, der aus I- und B-Spline Basisfunktionen unter geeigneten Restriktionen basiert. Es wird gezeigt, dass sich die Berücksichtigung der Restriktionen auf die funktionale Form positiv auf die Konvergenzrate des Schätzers in einer schwachen Norm auswirkt und so notwendige Bedingungen für die asymptotische Normalität semiparametrischer Schätzer einfacher erreichen lässt. / This dissertation comprises three individual papers on various topics in microeconometrics. In the first chapter, which is joint work with Christoph Breunig, we study a semi-/nonparametric regression model with a general form of nonclassical measurement error in the outcome variable. We provide conditions under which the regression function is identifiable under appropriate normalizations. We propose a novel sieve rank estimator for the regression function and establish its rate of convergence. The second chapter deals with the estimation of conditional random coefficient models. Here I propose a two-stage sieve estimation procedure. First, a closed-form sieve approximation of the conditional RC density is derived. Second, sieve coefficients are estimated with generic machine learning procedures and under appropriate sample splitting rules. I derive the $L_2$-convergence rate of the conditional RC-density estimator and also provide a result on pointwise asymptotic normality. The third chapter presents a novel and simple approach to estimating a class of semi(non)parametric discrete choice models imposing shape constraints on the infinite-dimensional and unknown link function parameter. I study multiple-index discrete choice models where the link function is known to be bounded between zero and one and is (partly) monotonic. In the paper I present an easy to implement and computationally efficient sieve GLS estimation approach using a sieve space of constrained I- and B-spline basis functions. The estimator is shown to be consistent and that imposing shape constraints speeds up the convergence rate of the estimator in a weak Fisher-like norm. The asymptotic normality of relevant smooth functionals of model parameters is derived and I illustrate that necessary assumptions are milder if shape constraints are imposed.

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Die vorgelegte Dissertation befasst sich mit der Frage unter welchen Bedingungen und in welchen Funktionenräumen hyperbolische Cauchy Probleme korrekt gestellt sind, wenn die Koeffizienten niedrige Regularität haben. Startpunkt der Betrachtungen sind strikt hyperbolische Cauchy Probleme beliebiger Ordnung mit Koeffizienten, die bezüglich der Zeit nicht differenzierbar aber glatt in allen Ortsvariablen sind. Abhängig von der Regularität der Koeffizienten bezüglich der Zeit, wird gezeigt in welchen Räumen Problem dieser Art korrekt gestellt sind. Insbesondere werden Zusammenhänge zwischen der Regularität der Koeffizienten und den Lösungsräumen deutlich. Basierend auf den Erkenntnissen für strikt hyperbolische Cauchy Probleme werden anschließend schwach hyperbolische Cauchy Probleme untersucht. Hier wird eine verallgemeinerte Levi Bedingung eingeführt und gezeigt, welcher Zusammenhang zwischen dem Einfluss der Levi Bedingungen und der niedrigen Regularität der Koeffizienten auf die Lösungsräume besteht. Schließlich wird noch den Fall von strikt hyperbolischen Cauchy Problemen betrachtet, die Koeffizienten mit niedriger Regularität in allen Variablen haben.

Viele Problemstellungen der Naturwissenschaften führen zur Betrachtung von nichtlinearen Wellengleichungen. Dabei ist von großem Interesse, ob zu vorgegebenen kleinen Daten Lösungen eindeutig existieren und ob diese stetig von den Daten abhängen. Hilfsmittel für diese Probleme sind Aussagen über lineare Wellengleichungen. In der vorliegenden Arbeit werden lineare Klein-Gordon Gleichungen, also Wellengleichungen mit Potentialterm, mit zeitabhängiger Masse bzgl. des Verhaltens ihrer Lösungen untersucht. Von speziellem Interesse sind Resultate mit Bezug auf verallgemeinerte Energieerhaltung und sogenannte Lp – Lq decay-Abschätzungen. Aus der Arbeit geht hervor, dass man eine Klassifizierung für Gleichungen mit fallendem Masseterm finden kann. Für Gleichungen vom Wellentyp ist der Einfluss des Potentialterms gering und die Lösungen verhalten sich wie Lösungen der Wellengleichung. Dem gegenüber stehen Gleichungen vom Klein-Gordon-Typ mit erkennbarem Einfluss des Masseterms. Ausgangspunkt für die Klassifizierung ist das kritische Verhalten der Lösungen einer skaleninvarianten Gleichung mit speziellem Masseterm.